一百多年來，全球學生都被教導“冰在受到壓力和摩擦力時會融化”。冬季走在結冰的路面上，身體重量通過仍有溫度的鞋底施加壓力，便可能導致人滑倒。但事實證明，這種解釋并不正確。
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最近，德國薩爾蘭大學研究人員開展的一項新研究揭示，冰面變滑的原因并非壓力或摩擦力，而是冰中的分子偶極子與接觸表面的分子偶極子之間發生的相互作用。相關成果發表于《物理評論快報》。
該研究由Martin Müser及同事Achraf Atila、Sergey Sukhomlinov共同完成，結論顛覆了近兩個世紀前由英國的James Thompson提出的理論范式。Thompson認為，除溫度外，壓力和摩擦力也會導致冰融化。
“事實證明，在冰面形成薄液層的過程中，壓力和摩擦力都沒起到特別重要的作用?！盡üser解釋說。相反，該團隊通過計算機模擬發現，分子偶極子才是這層“滑溜薄膜”形成的關鍵因素。正是這層“滑溜薄膜”，常常讓人們在冬天不慎滑倒。
那么，偶極子究竟是什么？當分子中存在部分正電荷區域和部分負電荷區域時，就會形成分子偶極子。這種電荷分布使分子具有整體極性，并指向特定方向。
要更好地理解這一過程，需先了解冰的結構。在0攝氏度以下，水分子會排列成高度有序的晶格結構——分子彼此整齊地排列，形成堅固的晶體。當人踩在這種有序結構上時，不是鞋底產生的壓力或摩擦力破壞了表層分子，而是鞋底中的偶極子與冰中的偶極子發生了相互作用，導致原本有序的結構突然變得混亂。
“在三維空間中，這些偶極子-偶極子相互作用會陷入‘受阻狀態’。”Müser表示?！笆茏锠顟B”是物理學中的一個概念，指相互競爭的力使系統無法達到完全有序的穩定構型。在微觀層面，冰中的偶極子與鞋底材料中的偶極子之間產生的作用力，會破壞冰與鞋底接觸界面處的有序晶體結構，使冰的結構變得無序、無定形，最終形成液態薄膜。
除了顛覆近200年的認知，該團隊的研究還破除了另一個誤區?！按饲叭藗冋J為，在低于零下40攝氏度的環境中無法滑雪，是因為溫度過低，滑雪板下方無法形成起到潤滑作用的薄液層。但事實證明，這種說法同樣不正確?！盡üser說。
“偶極子相互作用在極低溫度下依然存在。值得注意的是，即便在接近絕對零度的環境中，冰與滑雪板的接觸界面處仍會形成液態薄膜?！盡üser解釋說。不過，在如此低的溫度下，薄膜的黏度比蜂蜜還高，以至于我們幾乎不會將其當作水，在上面滑雪也幾乎不可能，但薄膜確實存在。
對于因冬季滑倒受傷的人來說，冰面變滑的原因究竟是壓力、摩擦力還是偶極子或許無關緊要。但對于物理學而言，這種區別至關重要。研究團隊這一發現的意義在逐步顯現，也已引起科學界的廣泛關注。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/1plj-7p4z
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